图像采集与处理技术在放射治疗计划系统中的应用

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1、郑重声明郑重声明本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。学位论文作者(签名)：杨Q乏H喀2f∥5年，月上F只第1章引言1．1研究背景1．1，1肿瘤放射治疗概况1895年德国物理学家伦琴发现了x射线，此后不久，人们发现了放射线的生物学效应，这种生物学效应很快应用于肿瘤的治疗，从而诞生了肿瘤放射治疗学这门独立的临床学科。放射治疗与手术治疗、化学治疗并列的恶性肿瘤三大治疗手段之一。放射治疗几乎可用于所有的癌症治疗，对许多癌症病人而言，放射治疗是唯一必须

2、用的治疗方法。资料显示，我国约有70％以上的癌症需用放射治疗，美国统计也有60％以上的癌症需用放射治疗，放射治疗在肿瘤治疗中的作用和地位f=1益突出”】。肿瘤放射治疗要求最大限度地使高剂量辐射在空间分布上与肿瘤的大小形状等外轮廓相适应，让肿瘤接受致死性剂量照射，同时最大限度地减少周围正常组织的照射剂量。适形放射治疗是一种先进的三维外照射技术，其目标是使高剂量区分布的形状在三维方向上与靶区的形状一致。三维适形剂量分布应满足两个必要条件：①在照射方向上，照射野的形状与靶区的投影形状一致；②每个射野内的输出剂量率能够按要求的方式调整，以使靶区和表面剂量分布均匀。同时满足上述两个条

3、件的称为调强适形放射治疗(IntensityModulationRadiationTherapy，IMRT)。IMRT能使高剂量区与形状不规则、组织不均匀的肿瘤靶区相符和，从而可以提高肿瘤靶区治疗剂量，降低正常组织的吸收剂量，达到提高肿瘤控制率，降低正常组织并发率的目的。虽然调强适形放射治疗技术目前尚未完善，未得到广泛应用，但国内外肿瘤放射学界一致认为其是21世纪放射治疗的发展方向。使得IMRT得以实现的并贯穿整个过程的软件系统一一放射治疗计划系统(RTPS)是联系IMRT中各个环节的纽带和灵魂【1‘31。郑4一I'1大学硕士学位论文图像采集与处理技术在放射治疗计划系统中的

4、应用1．1．2放射治疗计划系统(RTPS)放射治疗计划系统(RTPS)是指通过计算机系统对放射源与患者进行建模，从而确定照射剂量和靶区，模拟计划放射治疗过程。RTPS的发展历史实质上就是计算机技术发展并直接受其制约的结果。利用计算机进行2D治疗计划设计始于20世纪50年代末，只能借助体表轮廓图和拍摄治疗部位正侧位x线片方法，得到治疗部位有限的含有靶区、重要器官的几何近似体模图。RTPS被理解为计算机根据输入的患者治疗部位的解剖材料如外轮廓、靶区及重要组织和器官的轮廓及相关组织的密度等，安排合适的射野，包括使用楔形滤过过板、射野挡块或组织补偿器等进行剂量计算，得到所需要的剂量

5、分布。按照这种理解，治疗计划系统只是一个代替手动剂量计算的剂量计算器和剂量分布显示器。到了20世纪70年代，随着计算机技术的进步、CT的问世以及人们对计划设计及执行的全部过程的深入理解，要求治疗计划系统成为这个治疗过程的有机连接体中的一个重要纽带。因此RTPS应理解为：确定一个治疗方案的量化过程，包括图像的输入及处理；医师对治疗方案包括靶区剂量及其分布、重要器官及其限量、剂量给定方式等的要求及实现；计划确认及执行中精度的检查和误差分析等。RTPS应是一个对整个治疗过程不断进行量化和优化的过程【l-3】。近年来，随着计算机性能的提高以及医学图像处理、生物医学工程、医学影像设备

6、和临床放射物理学、剂量学、生物学等技术的进步，RTPS系统的功能更加完善，各项性能达到了更高的层次。1．1．3RTPS中的图像处理技术RTPS的理论设计可分为图像设计、剂量学计算设计、图像与剂量学数据的融合和计算处理最终结果的显示和评价四大部分。RTPS的全过程一般可分为影像资料获得、计划设计、计划确认和计划执行四个阶段【1’31。大致情形为：一2一第1章引言一、图像资料获得：CT、MR、X线平片、超声等医学影像通过网络、光盘、磁带、扫描仪、数字化仪等方式输入RTPS系统；对影像资料作预处理，包括图像增强、恢复、校正等。二、治疗计划设计：①病灶轮廓提取和三维可视化；②建立剂

7、量场，描绘等剂量线(面)；③计划结果的评价和修改：等剂量线(面)对病灶的包围情况，优化放射治疗方案。三、治疗计划的验证和确认：计划做好后必须在模拟机甚至加速器上进行模拟治疗验证。四、治疗计划的执行：包括治疗机物理、几何参数的设置，治疗摆位和治疗体位的固定三方面内容。从RTPS的一般过程我们可以看出，图像处理技术是RTPS的核心内容和关键技术。在RTPS过程中要用到的图像技术有：图像采集与传输、图像校正、增强；图像配准、融合：图像分割；三维重建与可视化等。近年来，医学图像处理领域的研究空前活跃，也取得了丰硕的研究成果